专题05 验证机械能守恒定律-高考物理实验专题强化训练（原卷版）

专题05验证机械能守恒定律知识点一、基本要求1.实验目的：验证机械能守恒定律2.实验原理：通过实验，求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律3.实验器材：打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台（附夹子）、导线两根4.实验步骤：①安装器材：将打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器与低压电源相连②将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器的限位孔③用手提着纸带，让重物靠近打点计时器并处于静止状态，然后接通电源，松开纸带，让重物自由落下，纸带上打下一系列小点④从几条打下点的纸带中挑选出点迹清楚的纸带进行测量⑤在起始点标上O，在以后各点依次标上1、2、3、。。。；用刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3.。。。知识点二、数据处理方法一：利用起始点和第n点计算代入ghn和，如果没有实验误差允许的情况下，，则验证机械能守恒定律方法二：任取两点计算（1）任取两点A、B，测出hAB，算出ghAB（2）算出的值。（3）在实验误差允许的情况下，若，则验证了机械能守恒定律方法三：图像法在纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出图线，若在误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律知识点三：误差分析1、减小测量误差：一是测下落距离时都从O点量起，一次将各打点对应下落高度测量完，而是多测几次取平均值2.由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量必定稍小于重力势能的减小量，改进办法是调整器材的安装，尽可能地减少阻力知识点四、注意事项1.打点计时器要竖直：安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力。2.重物密度要大：重物应选用质量大，体积小、密度小的材料3.一先一后：应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落4.侧长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用，不能用或vn=gt来计算题型一：对实验操作的考查小李同学利用图①装置验证机械能守恒定律时，打出如图②所示的纸带，已知打点计时器频率为。（1）下列关于该实验说法正确的是______。A．纸带必须尽量保持竖直方向以减小摩擦阻力作用B．为了验证机械能守恒，必须选择纸带上打出的第一个点作为起点C．将电磁打点计时器改成电火花计时器可以减少纸带和打点计时器间的摩擦D．可以选择较轻的物体作为重物以延长下落的时间，实验效果更好（2）根据图②中纸带的数据，打下点时重物的速度为______（结果保留2位小数）。（3）小明同学用两个形状完全相同，但质量不同的重物和分别进行实验，测得几组数据，并作出图象，如图③所示，由图象可判断的质量______的质量（选填“大于”或“小于”）。题型二：对数据处理及误差的考查某同学用图（a）所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有和。打出纸带的一部分如图（b）所示。该同学在实验中没有记录交流电的频率，需要用实验数据和其它题给条件进行推算。(1) 若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用和图（b）中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为______________，打出C点时重物下落的速度大小为_____________，重物下落的加速度大小为_____________。(2) 已测得当地重力加速度大小为9.80m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%，由此推算出f为__________。题型三：实验创新及改进某同学用如图11-1所示的装置验证机械能守恒定律。一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于A点，光电门固定在A的正下方。在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条．将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出，取作为钢球经过A点时的速度．记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔEp与动能变化大小ΔEk，就能验证机械能是否守恒。(1)用ΔEp=mgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到________之间的竖直距离。A．钢球在A点时的顶端B．钢球在A点时的球心C．钢球在A点时的底端(2)用ΔEk=eq\f(1,2)mv2计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图11-2所示，其读数为________cm。某次测量中，计时器的示数为0.0100s，则钢球的速度为v=________m/s。(3)下表为该同学的实验结果：ΔEp/(10-2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk/(10-2J)5.0410.115.120.029.8他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的。你是否同意他的观点？请说明理由。(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议。课后练习1.（2021年6月浙江省物理选考真题卷）17.在“验证机械能守恒定律”实验中，小王用如图1所示的装置，让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图2所示。O点是打下的第一个点，A、B、C和D为另外4个连续打下的点。

①为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是___________。②已知交流电频率为，重物质量为，当地重力加速度，则从O点到C点，重物的重力势能变化量的绝对值___________J、C点的动能___________J（计算结果均保留3位有效数字）。比较与的大小，出现这一结果的原因可能是___________。A.工作电压偏高B.存在空气阻力和摩擦力C.接通电源前释放了纸带2.（2021年海南省普通高中学业水平选择性考试）15.为了验证物体沿光滑斜面下滑的过程中机械能守恒，某学习小组用如图所示的气垫导轨装置（包括导轨、气源、光电门、滑块、遮光条、数字毫秒计）进行实验。此外可使用的实验器材还有：天平、游标卡尺、刻度尺。（1）某同学设计了如下的实验步骤，其中不必要的步骤是___________；①在导轨上选择两个适当的位置A、B安装光电门Ⅰ、Ⅱ，并连接数字毫秒计；②用天平测量滑块和遮光条的总质量m；③用游标卡尺测量遮光条的宽度d；④通过导轨上的标尺测出A、B之间的距离l；⑤调整好气垫导轨的倾斜状态；⑥将滑块从光电门Ⅰ左侧某处，由静止开始释放，从数字毫秒计读出滑块通过光电门Ⅰ、Ⅱ的时间、；⑦用刻度尺分别测量A、B点到水平桌面的高度、；⑧改变气垫导轨倾斜程度，重复步骤⑤⑥⑦，完成多次测量。（2）用游标卡尺测量遮光条的宽度d时，游标卡尺的示数如图所示，则___________；某次实验中，测得，则滑块通过光电门Ⅰ的瞬时速度___________（保留3位有效数字）；（3）在误差允许范围内，若___________（用上述必要的实验步骤直接测量的物理量符号表示，已知重力加速度为g），则认为滑块下滑过程中机械能守恒；（4）写出两点产生误差的主要原因：___________。3.（2021年河北省普通高中学业水平选择性考试）12.某同学利用图1中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系，所用器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块（质量为，其上可放钩码）、刻度尺，当地重力加速度为，实验操作步骤如下：①安装器材，调整两个光电门距离为，轻细绳下端悬挂4个钩码，如图1所示；②接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过两个光电门的速度；③保持最下端悬挂4个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤；④完成5次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统（包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码）总动能的增加量及系统总机械能的减少量，结果如下表所示：0.2000.25003000.3500.4000.5820.4900.3920.2940.1950.3930.4900.6860.785回答下列问题：（1）实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为______J（保留三位有效数字）；（2）步骤④中的数据所缺数据为______；（3）若M为横轴，为纵轴，选择合适的标度，在图2中绘出图像______；若系统总机械能的减少量等于克服摩擦力做功，则物块与木板之间的摩擦因数为______（保留两位有效数字）4.（2022届福建省莆田第二中学高三（上）期中物理试题）11.某同学设计出如图甲所示的实验装置来“验证机械能守恒定律”，让小球从A点自由下落，下落过程中经过A点正下方的光电门B时，光电计时器记录下小球通过光电门时间t，当地的重力加速度为g。（1）为了验证机械能守恒定律，该实验还需要测量下列哪些物理量____________（填选项）A.小球的质量mB.AB之间的距离HC.小球的直径d（2）小球通过光电门时的瞬时速度v=____________（用题中所给的物理量表示）。（3）调整AB之间距离H，多次重复上述过程，作出随H的变化图像如图乙所示，当小球下落过程中机械能守恒时，该直线斜率k0=____________。（4）在实验中根据数据实际绘出-H图像的直线斜率为k（k<k0），则实验过程中小球所受的平均阻力f与小球重力mg的比值=____________（用k、k0表示）5.（2022届甘肃省庆阳市第六中学高三（上）期中物理试题）10.为了验证机械能守恒定律，同学们设计了如图甲所示的实验装置：（1）实验时，一组同学进行了如下操作：①用天平分别测出重物A、B的质量和（A的质量含挡光片、B的质量含挂钩，且），用螺旋测微器测出挡光片的宽度d；②将重物A、B用绳连接后，跨放在定滑轮上，一个同学用手托住重物B，另一个同学测量出___________（填“A的上表面”“A的下表面”或“挡光片中心”）到光电门中心的竖直距离h，之后释放重物B使其由静止开始下落；③记录挡光片经过光电门的时间。（2）如果系统（重物A、B）的机械能守恒，应满足的关系式为___________（用质量、，重力加速度为g，经过光电门的时间为，挡光片的宽度d和距离h表示结果）。（3）实验进行过程中，有同学对实验作了改进，如图乙所示，在B的下面挂上质量为m的钩码，让，经过光电门的速度用表示，距离用h表示，仍释放重物B使其由静止开始下落，若系统的机械能守恒，则有___________（已知重力加速度为g）。

6.（2022届河南省南阳市高三（上）期中质量评估物理试题）13.在验证机械能守恒定律实验中，重锤从高处由静止开始下落，重锤上拖着纸带通过打点计时器，打出一系列的点。对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。已知当地重力加速度为g。（1）如图甲所示，根据打出的纸带，选取纸带上连续的五个点A、B、C、D、E，测量出点A距起始点O的距离为，A、C间的距离为，C、E间的距离为。若相邻两点的打点时间间隔为T，重锤质量为m，根据这些条件计算重锤从释放到下落OC距离时重力势能减少量______，动能增加量______。在实际计算中发现，重锤减小的重力势能总是大于重锤增加的动能，其原因主要是__________________。

（2）某同学利用图甲中纸带，先分别测量出从A点到B、C、D、E、F、G点的距离h（其中F、G点为E点后连续打出的点，图中未画出），再计算打出B、C、D、E、F各点时重锤下落的速度v和，绘制图像，如图乙所示，并求得图线的纵轴截距b和斜率k。如果重锤下落过程中机械能守恒，则______。7.（2022届黑龙江省哈尔滨市第六中学高三（上）期中物理试题）16.某实验小组用如图所示的装置，来做“验证机械能守恒定律”的实验其中，量角器的中心和长为的细线的一个端点重合，并且固定在一起细线的另一端系一个质量为、半径为的小球，当小球静止时量角器的零刻度线与细线重合，在小球所在位置固定安装一个光电门，当小球由处静止释放时，细线与竖直方向的夹角为，重力加速度为。则：（1）在实验中测得小球通过光电门的时间为，那么，小球通过最低点的瞬时速度为__。（2）如图所示，当用精确度为的游标尺来测量小球直径时，测得小球的直径为，那么，这时游标卡尺上的第__条刻度线与主尺上的第__刻度线对齐。（3）若在实验误差允许的范围内，满足__，即可验证机械能守恒定律（用题中字母来表示）。（4）通过改变小球由静止释放时，细线与竖直方向的夹角，测出相应情况下，小球通过光电门的时间，为了形象、直观地验证机械能是否守恒，在平面直角坐标系中，为使图象是经过坐标原点的直线那么，图象的横坐标为__，纵坐标为。8.（2022届山西省运城市高三（上）期中物理试题）14.某探究小组想利用验证机械能守恒定律的装置测量当地的重力加速度，如图（甲）所示。框架上装有可上下移动位置的光电门1和固定不动的光电门2；框架竖直部分紧贴一刻度尺，零刻度线在上端，可以测量出两个光电门到零刻度线的距离；框架水平部分用电磁铁吸住一个质量为m的小钢球，小钢球的重心所在高度恰好与刻度尺零刻度线对齐。切断电磁铁线圈中的电流时，小钢球由静止释放，当小钢球先后经过两个光电门时，与光电门连接的传感器即可测算出其速度大小和。小组成员保证光电门2的位置不变，多次改变光电门1的位置，得到多组和的数据，建立如图（乙）所示的坐标系并描点连线，得出图线的斜率为k。

(1)用20分度的游标卡尺测量小钢球的直径，如图（丙）所示，